CN100530936C - 控制电机的电源电路、电机、以及相应的控制方法 - Google Patents

Abstract

本文描述一种用于控制电机的电源电压的电路。此电路包括：用于检测电网电压(V1)和基准电压(Vp)差值的装置以及用于产生交替的校正电压(V2)的装置(11-14、17)，校正电压(V2)的频率与电网电压(V1)的频率相同并且相对于所述电网电压(V1)是相移的。电网电压和校正电压之间的相移与电网电压和基准电压的差值成比例，并且校正电压(V2)增加到电网电压(V1)上。

Description

控制电机的电源电路、电机、以及相应的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于电机的稳压类型的或至少是调整电压类型的电源电路，目的在于使电机的效率最大化或调整电机速度，具体地，此电源电路用于异步电机、并特别地-但不排它地-用于单相异步电机。

本发明还涉及一种包括稳压类型电源电路的电机以及一种控制电机的电源电压的方法。

背景技术

在电机设计中假设电源是恒压的，并且电机设计的目标是当设计电压时使电机的性能优化，设计电压的范围一般在200-230V内或者根据使用此电机的国家所采用的电网电压而具有其它值。

事实上，由于电网中可能的电压波动，并由于在使用此电机的各个国家中各种电网系统的微小电压差别，因此电源电压不是恒定的。一般而言，电网电压可高达255V。为了使针对特定电压设计的电机在电压变化高达几十伏的条件下也能正确运行，目前使用基于限幅原理的控制电路，具体为三端双向可控硅开关和断续器控制电路。由于需要使用高压元件和复杂的控制电路，因此这些电路有一些缺陷，如电机电源电压中较高的谐波成分(对于三端双向可控硅开关控制器尤其如此)以及高成本。由于必需使用在比电网频率更高的频率下操作的受控开关，断续器控制电路的生产还有一定程度的结构复杂性的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电机的、具体为用于异步电机的新型电源控制电路，此控制电路可用于设置或稳定电源电压，同时避免出现传统限幅电路的缺陷。

本发明的另一目的是提供一种控制电机的、具体为控制异步电机的电源的新型控制方法，此种方法能获得稳定的电源电压，而没有常规方法中的缺陷。

本发明的再一目的是提供一种具有所述优点的的包括电源装置的电机。

更具体地，本发明的目的是提供不需要昂贵元件的电路和控制方法，此电路和控制方法避免使用高频开关元件并且不需要用于消除电磁噪音的电网过滤器。

借助具有以下特征的电路，基本上可获得上述的和其它的目的和优点，下文将使本领域技术人员清楚这些。

本发明提供一种用于电机的电源电压控制电路，此电路包括用于测量电源电压和基准电压之间的差值并且提供误差电压的差值测量装置、以及用于产生交流校正电压的校正装置，校正电压的频率与电源电压的频率相同，并且校正电压相对于所述电源电压是相移的，其中电路的特征在于：所述校正装置有一连接到所述测量装置并接收所述误差电压的输入，并且产生所述交流校正电压；所述校正装置产生具有相移的所述交流校正电压，并且电源电压和校正电压之间的相移与电源电压和基准电压之间的差值成比例，并且所述校正装置被构造为将校正电压增加到电源电压上。

本发明还提供一种包括具有受控电压的电源装置的电机，其中电机的特征在于：所述电源装置包括本发明的上述电路。

本发明还提供一种用于向电机提供电压的方法，其中包括产生低交流校正电压的步骤，校正电压的频率与电源电压的频率相同，并且校正电压相对于所述电源电压是相移的，本方法特征在于包括以下步骤：检测所述电源电压；将所述电源电压和基准电压进行比较，并且产生与所述电源电压和所述基准电压之间的差值成比例的误差电压；相对于所述电源电压对所述校正电压进行相移，相移量是与误差电压成比例的值；以及向所述电机施加为所述校正电压和所述电源电压的总和的电压。

在一个切实可行的实施例中，通过使用包括四个受控开关的全桥有可能产生校正电压，其中，这些开关的切换产生校正电压，在此种情况下校正电压为方波电压。控制逻辑根据电网电压和电机所需的稳定电压之间的差值切换受控开关。受控开关的电桥通过电桥的直流支路连接到实际上连续的电压源。

尽管此实际上连续的电压源可以是从已经适当处理的相同电网电压提供的源，但在特别有利的实施例中，连续电压通过利用电机的感应能量获得。为此，可在受控开关的电桥的直流支路中设置存储器件，感应能量在操作周期的某些相位期间储存在此存储器件中而在其它相位时传输给电机。在一个切实可行的实施例中，存储器件包括一个电容器或一组电容器。

因此本质上，本发明基于从电网电压减去或增加到低压交替波(校正电压)的概念，控制校正电压对电网电压的相位，使得两电压的总和向电机提供稳定的电压。

本发明的电路及相应电机以及电机电源方法的其它有利实施例在后附权利要求中指出，并将结合一个实施例进行更详细的描述。

附图说明

从示出本发明非限制性的实用实施例的描述和附图中，将更容易理解本发明。更具体地，在附图中，

图1示出电机和相应电源电压控制电路的简图；

图2示出控制逻辑的方框图；

图3A-3D示出在四个连续的操作阶段中电机和相应控制电路的简图；

图4示出电网电压、电机电源电压、电机电源电流、储存电容器的电压和控制电压的简图；

图5A-5E分别示出图4的各个曲线；

图6A-6I示出控制逻辑在各点的波形图；以及

图7示出电机电压的谐波成分。

具体实施方式

图1简要示出用于单相异步电机的恒压电源电路。编号1表示交流电压源，例如包括电力网、发生器装置或其它源。编号3以通用的方式表示电机，此电机由并联的电感器5和电阻器7示意性地代表。

电机3和电压源1在包括受控开关11、12、13和14的全桥中连接，全桥例如包括相同数量的由控制逻辑17控制的MOSFET或其它开关器件，控制逻辑17输出17A-17D以切换开关11-14。

包括存储电容器19的直流支路18与电桥11-14并联。在以下描述中将清楚，控制逻辑17根据电机3两端的电压和电源电压的相位来控制开关11-14的切换，此种控制方式产生其频率与电源1提供的电源电压频率相同的方波电压，但是，方波电压对电源电压是相移的并且被增加到电源电压上或从电源电压中减去方波电压，以产生与电机3定子绕组两端所需电压相等的电压。控制逻辑根据电源1提供的电源电压相位而改变方波电压的相位，以产生与电机两端所需电压相等的电压。通过在电容器19中储存电机3的一部分感应能量，获得电桥11-14产生方波所需的电压。

结合图4、5A-5D和图3A-3D解释以上简述的电路的操作。图4示出以下互相重叠的曲线：

-V1：由电压源1提供的电网电压；

-V2：由全桥11、12、13、14提供的方波电压，由储存在电容器19中的能量提供。

-Vm：电机3两端的电压(绕组两端的电压)；

-Im：通过电机3的电流；

-Vc：存储电容器19两端的电压。

为了更清楚起见，上述5条曲线在图5A-5E中再次分别示出。

如图4所示，由电桥11-14施加到电机的电压V2是方波电压，其频率等于电源电压V1的频率，但相对后者是相移的。电机两端的电压Vm是两个电压V1和V2的代数和。通过操作全桥的受控开关11-14得到电压V1和V2之间的相移，并且此相移控制得总是向电机3提供设计电压，而与电源1的电压无关。在图4的简图中看出，电网电压V1大于电机电源电压Vm。实际上，使控制逻辑赋予电压V2一相位以便总是从电网电压V1作减法是有利的，尽管本领域技术人员清楚此电路也可以相反的方式操作。这意味着，电机的额定电压值Vm设计得比电网可提供的最小值还低。例如，对于适合在电压范围210-240V内运行的电机，电机的设计电压将等于或小于210V。

如果电网电压V1由于某种原因变化，控制逻辑17将改变开关11、12、13和14的切换相位，使得方波电压V2以不同的方式相对于电网电压V1产生相移以保持两个电压的总和Vm等于电机的设计值。

图4的简图示出四个时间段T1、T2、T3和T4，它们对应于由图1控制电路根据电压源1提供的电流方向和全桥的开关11、12、13、14的切换状态而顺序呈现的四个状态。图3A-3D示出对于四个时间段T1-T4中每一个时间段，所述开关的切换条件和电路中的电流方向。

图3A示出在时间段T1中电机3的电源电路，T1从电桥的开关11-14切换并且电压V1为正值时的瞬间(t0)开始计时。开关11、13断开(OFF状态)；而开关12和14闭合(ON状态)。在时间段T1的第一部分，电容器19的极性与电压源1的极性匹配，从而电容器19两端的电压V2增加到电网电压V1。电容器19放电，向电机3提供电流。这反映在电容器两端的电压Vc在时间段T1里稍微降低(还可参见图5E)。然而，电容器19的电容使得此种电压变化最小。

电机中的电流Im具有正弦波变化，此变化相对于电网电压V1的变化是相移的，并且在时间段T1的终点(在瞬间t1)，电流Im通过零值，电流方向发生改变。在瞬间t1，电路呈现出图3B中的配置并在时间段T2(t2-t1)中维持此配置：电流Im以电容器19被充电的方向流过电容器19，可看出，在时间段T2里电压Vc稍微增加的趋势(还可参见图5E)并且以电机3的电抗能量的形式，在电容器19中储存能量。

在瞬间t2，电路的控制逻辑17以下面将描述的方式决定电桥的开关11、12、13和14的切换：开关11、13闭合(ON状态)而开关12和14断开(OFF状态)，同时电机中的电流Im继续以相同的方向流动。电路呈现出图3C中的配置。由电桥施加的电压改变符号并变为负的。电容器19中的电流方向使得能量从电容器传递到电机，电容器放电(曲线Vc稍微下行)。

在瞬间t3，电流Im通过零值并且再次改变其方向。电路呈现出图3D中的配置：电机的电抗能量传递到电容器19，电容器充电。此状态持续到电桥11、12、13、14在瞬间t4的下次切换，在瞬间t4，与前述完全相同的操作周期重新开始，从开关11、12、13、14的切换瞬间开始计时。

从图4可看出，电桥11、12、13、14的切换瞬间决定方波V2对电网电压V1的相位，延迟这些切换瞬间以使代数增加到电压V1上的电压V2保持电机3定子绕组两端的电压小于电网电压。这是假定电机的额定电压已设计得小于电网电压，例如假定设计电压为210V而电网电压为230V。如果电网电压V1发生变化，控制逻辑17修改方波电压V2的相位，使得在电机定子绕组两端依然产生210V的设计电压。如果设计电压大于电网电压，也可得到相似的特性，在此种情况下，选择方波V2的相位，以便根据电网电压而增加电机两端的电压。

通过确定电网电压V1的相位和电机3两端的电压值而使全桥11、12、13、14切换，然后以下述方式切换开关11、12、13、14，以获得所需的方波V2相位，从而电机的电压保持为所需要的值。

使电桥11、12、13、14切换的控制逻辑17可具有如图2所示的配置。在图6A-6I中再现控制逻辑17中的各种信号的波形。

对应于电网电压V1的信号，其变化由图6A表示，施加到过零检测器21的输入端。在检测器21的输出中有与电网电压V1同相的周期性信号(见图6B)，此信号传送到第一斜波发生器23的输入端。检测器21的输出信号还送到变换器25，在变换器25的输出获得根据检测器21输出信号转换的信号(图6C)，并且此信号传送到第二斜波发生器27的输入端。在两个斜波发生器的输出中获得两个相同的波形，一个与电网电压V1同相而另一个与之相移90°，如图6D和6E所示。斜波发生器23、27的输出中的两个信号传送到两个相应的比较器29、31的第一输入端，在比较器的第二输入端施加与电机设计电压(Vp)和电网电压(V1)之间差值成比例的误差电压(Verr)。

在第一比较器29的输出中获得方波，此方波具有与每个斜波和误差电压Verr的交叉点一致的上升波前并且具有与每个斜波的下降波前一致的下降波前。在图6F中以实线表示比较器29的输出信号。在比较器31的输出中获得相似的但相移90°的信号(图6G；以实线表示信号)。

当两个比较器29、31的两个输出信号传送到触发器33的设置和重置输入端时，在后者的输出端获得用于切换全桥开关11、12、13、14的方波信号，此信号具有50％的负载周期和相对于电网电压V1的相位，由于比较器29、31的两个输出信号的上升波前的位置取决于误差电压Verr，因此该相位是误差电压Verr的函数。图6H示出当误差电压Verr存在时触发器33的输出信号。

图6D-6I还示出触发器33所产生的切换信号的相位如何随误差电压的变化而变化。图6D和6E以虚线表示不同值的误差电压V′err，它导致比较器29、31产生如图6F和6G中用虚线表示的输出信号。这两个信号施加到触发器33的设置和重置输入端，产生图6I所示的切换信号。此最后信号具有与图6H中信号相同的频率，但相对它是相移的。

图7示出施加到电机上的电压的谐波成分的频谱。如附图所示，50Hz基础信号的谐波可忽略不计，当电压由三端双向可控硅开关限幅器控制时这产生显著的优势。

应理解，附图只示出本发明一个切实可行的实施例，只要不偏离本发明的概念范围，可对实施例的形式和布置作出改变。在后附权利要求中出现的任何参考号都是为了便于根据前面的描述和附图来阅读权利要求，并不限制权利要求所保护的范围。

Claims (16)

1、一种用于电机的电源电压控制电路，此电路包括用于测量电源电压(V1)和基准电压(Vp)之间的差值并且提供误差电压(Verr)的差值测量装置、以及用于产生交流校正电压(V2)的校正装置(11-14、17)，校正电压(V2)的频率与电源电压(V1)的频率相同，并且校正电压相对于所述电源电压(V1)是相移的，其中电路的特征在于：所述校正装置有一连接到所述测量装置并接收所述误差电压的输入，并且产生所述交流校正电压；所述校正装置产生具有相移的所述校正电压，并且电源电压和校正电压之间的相移与电源电压和基准电压之间的差值成比例，并且所述校正装置被构造为将校正电压(V2)增加到电源电压(V1)上。

2、如权利要求1所述的电路，其中特征在于：所述校正装置包括其切换产生校正电压(V2)的受控开关(11、12、13、14)的桥，和用于使所述受控开关(11、12、13、14)切换的控制逻辑(17)；所述控制逻辑产生用于接通和断开所述开关(11-14)的输出(17A-17D)，由此生成所述校正电压。

3、如权利要求2所述的电路，其中特征在于：所述桥是包含四个其切换产生校正电压(V2)的受控开关(11、12、13、14)的全桥，所述校正电压是方波电压，并且所述控制逻辑(17)使所述四个受控开关(11、12、13、14)进行切换，一个连续的桥电压源设置在所述全桥的一个直流支路(18)中。

4、如权利要求1或2或3所述的电路，其中特征在于：它包括用于储存由所述电路提供的电机电抗能量的存储器件(19)，所述存储器件(19)连接到用于产生校正电压(V2)的装置。

5、如权利要求3所述的电路，其中特征在于：它包括用于储存由所述电路提供的电机电抗能量的存储器件(19)，所述存储器件(19)连接到用于产生交流校正电压(V2)的校正装置，并且所述存储器件包括位于全桥的直流支路(18)中的电容器。

6、如权利要求3所述的电路，其中特征在于：所述控制逻辑包括：用于产生指示电源电压(V1)相位的信号(B、C、D、E)的电源电压相位检测装置(21、23、25、27)；用于对所述电源电压(V1)和基准值(Vp)进行比较并产生误差信号(Verr)的第一比较器装置；用于产生相移信号(F、G)的第二和第三比较器装置(29、31)，所述相移信号(F、G)相对于所述电源电压(V1)是相移的，并且相移量与所述误差信号(Verr)成比例；以及连接到所述第二和第三比较器装置的输出并用于从所述相移信号中获得用于切换受控开关的信号(H、I)的装置(33)，其中所述第二和第三比较器装置(29、31)在其输入端接收由所述第一比较器装置提供的所述误差信号(Verr)和由所述电源电压相位检测装置(21、23、25、27)提供的所述指示电源电压相位的信号。

7、如权利要求6所述的电路，其中特征在于：

所述电源电压相位检测装置包括：产生与电源电压(V1)同相的信号的过零检测器(21)；两个斜波发生器(23、27)，其输入分别连接到过零检测器(21)的输出以及变换器(25)的输出，该变换器连接到过零检测器的输出；

所述第二和第三比较器(29、31)中的每个比较器的第一输入连接到所述两个斜波发生器(23、27)的对应一个的输出，其第二输入连接到提供与电源电压(V1)和基准电压(Vp)之间的差值成比例的所述误差信号(Verr)的所述第一比较器装置的输出；以及

连接到所述第二和第三比较器装置(29、31)的输出的所述装置(33)包括触发器(33)，其设置和重置输入连接到所述第二和第三比较器装置(29、31)的输出端，所述触发器的输出用于切换所述受控开关。

8、一种包括具有受控电压(Vm)的电源装置的电机(3)，其中电机(3)的特征在于：所述电源装置包括如权利要求1到7中的任何一个权利要求所述的电路。

9、如权利要求8所述的电机，其中特征在于，它是单相异步电机。

10、一种用于向电机(3)提供电压(Vm)的方法，其中包括产生低交流校正电压(V2)的步骤，校正电压(V2)的频率与电源电压(V1)的频率相同，并且校正电压相对于所述电源电压是相移的，该方法的特征在于包括以下步骤：

检测所述电源电压(V1)；

将所述电源电压和基准电压(Vp)进行比较，并且产生与所述电源电压和所述基准电压之间的差值成比例的误差电压(Verr)；

相对于所述电源电压对所述校正电压进行相移，相移量是与误差电压成比例的值；以及

向所述电机施加为所述校正电压(V2)和所述电源电压(V1)的总和的电压。

11、如权利要求10所述的方法，其中特征在于：所述校正电压(V2)通过电机(3)的电感能量而产生。

12、如权利要求10或11所述的方法，其中特征在于：所述校正电压(V2)是方波电压。

13、如权利要求10所述的方法，其中特征在于：通过受控开关(11、12、13、14)的全桥为所述电机供电；在所述全桥的一个直流支路(18)中设置一个连续的电压源(19)；以及基于电源电压(V1)和基准电压(Vp)之间的差值，修改所述开关切换的相位。

14、如权利要求13所述的方法，其中特征在于：所述连续的电压源(19)包括通过所述电机的电感能量而充电的电容器(19)。

15、如权利要求13所述的方法，其中特征在于：

为了确定所述电源电压和所述基准电压之间的差值，执行以下步骤：产生指示电源电压(V1)相位的信号(B、C)；对与电源电压(V1)成比例的信号和基准值(Vp)进行比较，并产生与电源电压和基准值之间的差值成比例的误差信号(Verr)；

以及为了向所述电源电压增加所述校正电压，执行以下步骤：产生相移信号(F、G)，所述相移信号(F、G)相对于电源电压(V1)是相移的并且相移量与误差信号(Verr)成比例；从所述相移信号获得用于切换受控开关(11、12、13、14)的信号(H、I)。

16、如权利要求15所述的方法，其中特征在于：

为了确定指示电源电压的相位的信号，执行以下步骤：产生用于检 测电源电压(V1)过零的信号(B)和相应的反相信号(C)；以及产生两个相应的斜波信号(D、E)；

以及为了产生所述相移信号，执行以下步骤：比较所述斜波信号和所述误差信号(Verr)，并且产生两个比较信号(F、G)；以及从比较信号(F、G)产生用于切换受控开关(11、12、13、14)的信号(H、I)。

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